采用UASB-SBR-EO处理早期垃圾渗滤液实现深度除碳脱氮脱硫的方法与流程

本发明涉及一种废水联合处理方法与装置，主要是针对高氨氮、高有机物的早期垃圾渗滤液进行深度除碳脱氮脱硫。本工艺设有进水水箱、上流式厌氧污泥床反应器(uasb)、中间水箱、序批式反应器(sbr)、中间水箱和电氧化(eo)装置。废水流经uasb时，发生厌氧生物反应，能够去除大部分有机物，并在厌氧分解时，将有机氮转化为氨氮；利用中间水箱对ph、温度等影响因素进行调节；在sbr中发生亚硝酸盐型厌氧氨氧化和硫酸盐型厌氧氨氧化反应，实现生物同步脱氮除硫；出水经由中间水箱最后进入电氧化装置，进一步去除难降解有机物、氨氮等污染物，实现深度脱氮除碳。

背景技术：

城市垃圾渗滤液成分复杂，具有高氨氮、高有机物的重要水质特征，为此，在进行生物脱氮等水质处理过程中困难颇多，另外，渗滤液还含有大量的无机化合物且水体呈黑褐色并散发强烈的刺激性气味，也给处理带来了挑战。相对于许多“污染转嫁”的处理方法，生物脱氮能够实现真正意义上的氮去除，同时，利用生物法处理垃圾渗滤液也是最经济、最有效的，目前被广泛应用。厌氧生物法在处理垃圾渗滤液废水方面相比好氧生物法具有能耗低、污泥产量少、有机负荷高及产生可利用资源等优势，因此选用厌氧生物法作为垃圾渗滤液的预处理工艺。

垃圾渗滤液不仅水质成分复杂，且污染物浓度会随填埋时间而变化，早期垃圾渗滤液氨氮和cod浓度均很高，晚期渗滤液的氨氮浓度增高，但cod浓度降低，造成碳氮比失调等问题，这些与城市污水等废水相比有显著的不同。国内外相关领域研究人员一直将垃圾渗滤液的脱氮问题当作研究的重点和难点，随着时间的延长以及环境构造对污染物去除容量的有限性，垃圾渗滤液的污染物质超出处理负荷，会对地下水、地表水以及填埋场周围环境造成污染，会引起地表水缺氧、水质恶化、富营养化、饮用水源污染等一系列环境污染问题，严重威胁人类社会的正常生产、生活。因此，垃圾渗滤液的处理已经不能再单单依靠地下水层来净化，为此，鉴于垃圾渗滤液浓度高、成分杂、易变化的水质特点，常规的废水处理方案显然已不适用，在此基础上，发明设计一种针对早期垃圾渗滤液的废水处理方法和装置，具有重要的实际意义。

技术实现要素：

本发明的目的是基于现有垃圾渗滤液处理的技术路线，提供一种生物—电氧化联合处理早期垃圾渗滤液的方法，并设计相匹配的废水处理装置，高效节能地完成垃圾渗滤液的深度除碳脱氮脱硫，进而实现流程简单、投资运行成本低的早期垃圾渗滤液处理工艺构建。本发明以北京某垃圾填埋场的早期垃圾渗滤液作为处理对象，为实现经济高效的除碳脱氮脱硫，对其中短程硝化和厌氧氨氧化的影响及控制因素进行深入研究，同时对电氧化电流强度和电流密度进行控制调试，明确最佳工艺参数和处理效能。本工艺不需投加任何碳源进行深度脱氮，区别于其它垃圾渗滤液常规处理工艺，解决了脱氮反硝化环节需投加大量碳源导致处理成本高这一关键问题。后续采用电氧化工艺取代“膜法”工艺处理难降解有机物等污染物质，利用三维荧光分析难降解有机物处理情况，进而确定最佳电流强度等参数，力争以最低成本实现早期垃圾渗滤液的达标处理。

本发明可广泛应用于高氨氮且碳氮比低的污水处理，特别适用于早期垃圾渗滤液的单独处理。

本发明的技术方案：

本发明设计的uasb-sbr-eo联合处理城市早期垃圾渗滤液的装置，其特征在于：

包括进水水箱(ⅰ)、uasb(ⅱ)、中间水箱(ⅲ)、sbr(ⅳ)、中间水箱(v)、电氧化装置eo(vi)，串联组成整个处理装置；

进水水箱(ⅰ)，所用早期垃圾渗滤液储放在原渗滤液格室1(1)内，原渗滤液格室1通过uasb(ⅱ)原渗滤液进水泵(3)及uasb(ⅱ)原渗滤液进水管(4)与uasb(ⅱ)底部进水口(5)相连；sbr硝化液回流储放在格室2(2)，通过uasb(ⅱ)回流液进水泵(6)及uasb(ⅱ)回流液进水管(7)与uasb(ⅱ)底部相连，原渗滤液和回流液在uasb(ⅱ)进水口前的进水管中混合进入uasb(ⅱ)进水口，硝化液回流格室2通过sbr(ⅳ)硝化液液回流泵(8)、回流管(9)与中间水箱(v)相连。

uasb(ⅱ)内设有uasb(ⅱ)三相分离器(10)，顶部设有uasb(ⅱ)排气管(11)，uasb(ⅱ)排气管(11)与uasb(ⅱ)碱液瓶(12)连接，uasb(ⅱ)碱液瓶(12)与uasb(ⅱ)气体流量计(13)连接，采用液体置换法计量产生的气体。uasb(ⅱ)顶部设有uasb(ⅱ)出水管(14)，与中间水箱(ⅲ)顶部进水口连接，出水管下部连接一根uasb(ⅱ)内循环管(15)，设有uasb(ⅱ)内循环泵(16)，与uasb(ⅱ)底部进水口相连。

uasb(ⅱ)出水依靠重力流向中间水箱(ⅲ)，并设置阀门(17)，水箱内部设有ph、do仪、温度计(以便实时监测)(18)，底部设有出水口(19)，通过sbr进水管(20)、进水泵(21)与sbr(ⅳ)进水口阀门(22)连接。

sbr(ⅳ)反应器内设有空气扩散装置和机械搅拌装置，sbr(ⅳ)出水经第二排水口(29)通过进水泵(34)与进水管(35)与中间水箱(v)连接。

中间水箱(v)设有两个出水口，出水口1(36)和出水口2(37)，出水口1通过回流管(9)与uasb(ⅱ)中的硝化液回流格室2相连通，并配有回流泵(8)；出水口2通过进水管(38)、进水泵(39)与电氧化装置eo(vi)相连接。

电氧化装置eo(vi)采用恒流充电模式进行电解，接有直流电源，eo(vi)进水口配有进水水泵，eo(vi)侧面设有出水控制阀(45)和出水管(46)，系统出水通过eo(vi)出水管排出；eo最终出水的有机物、氨氮和硫酸盐浓度分别为87.511mg/l、18.545mg/l、3065mg/l，实现深度除碳脱氮脱硫。

本发明设计的uasb-sbr-eo联合处理城市早期垃圾渗滤液的步骤，其特征在于：

(1)渗滤液从进水水箱通过uasb进水泵与回流的sbr硝化液回流体积比3:1-4:1一起被泵入uasb反应器，反应器内的反硝化菌和产甲烷菌充分利用进水中丰富的有机物，进行缺氧反硝化和厌氧产甲烷反应，反硝化菌利用进水中丰富的有机碳源将中间水箱回流的sbr硝化液中的no2^--n还原为n2，完成氮的去除；同时上述uasb反应器内产甲烷菌将有机物氧化成ch4、h2o和co2，从而实现有机物的去除。

(2)uasb出水通过溢流依靠重力作用流向中间水箱，中间水箱设有ph实时监测装置，将ph控制在(7.5-8.5)的范围之内，通过对该影响因素的调节更好的实现后续sbr中的厌氧氨氧化反应。

(3)uasb的出水依靠出水泵泵入sbr反应器，进水结束后，开启曝气装置，空气通过空压机(23)和气体流量计(24)以及曝气管(25)和sbr中的曝气环(26)后进入到sbr中，通过气体流量计(24)将do控制到0.5-1mg/l。sbr设有在线ph和溶解氧(do)监测设备(33)，实时在线监测sbr中的ph和do，从而判定反应状态；当反应中氨氮浓度降到100-150mg/l时且亚硝酸盐氮浓度积累到100-200mg/l时，停止曝气；开启机械搅拌装置(27)，搅拌器转速为50-80rmp/min，在缺氧条件下，通过硫酸盐型、亚硝酸盐型厌氧氨氧化反应将氨氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐去除；当反应中氨氮浓度降到5mg/l以下时,停止搅拌，然后沉淀30-50min，排水3-5min，排水比为10％-50％，至此，sbr的一个运行周期结束。其中，sbr设有第一排水口(28)、第二排水口(29)、第三排水口(30)和第四排水口(31)及放空口(32)。

在每个周期的沉淀结束后，sbr的硝化液通过中间水箱进水泵，经由中间水箱进水管被泵至中间水箱，以便后续按照相应的回流比进行排出。

(4)sbr硝化液储放在中间水箱中，按照3:1-4:1的回流比一部分通过中间水箱出水口1(36)经由回流管(9)进入到进水水箱格室2中，与原渗滤液共同被泵入uasb反应器；另一部分通过出水管从出水口2(37)，由eo进水泵(39)泵入到电氧化装置eo。

(5)eo进水采用恒流充电模式进行电解，接有直流电源(40)，其正极(41)和负极(42)分别通过导线与eo的阳极(43)和阴极(44)连接，阳极为ti基sno2涂层电极，涂层催化剂载量在1-5mg/cm²；通入直流电源并控制电流密度在5～20ma/cm²进行电解，两极电压在3.5-4.5v，在阳极表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，可以将难降解有机污染物降解，使色度降低；阴极采用镍基底，反应时会在阴极在产生氢气，eo侧面设有出水控制阀(45)和出水管(46)，系统出水通过eo出水管排出；eo最终出水的有机物、氨氮和硫酸盐浓度分别为87.511mg/l、18.545mg/l、3065mg/l，最终实现除碳脱氮脱硫。

技术原理

本发明短程反硝化-厌氧氨氧化-电氧化工艺联合处理早期垃圾渗滤液的原理：

由于垃圾渗滤液氨氮、有机物含量高，水质十分复杂，并随填埋时间的变化而变化，根据早期垃圾渗滤液氨氮浓度高和碳氮比低的特点，采用短程反硝化-厌氧氨氧化-电氧化(uasb-sbr-eo)的联合工艺处理早期垃圾渗滤液，从而实现高效节能的处理废水。本工艺采用uasb-sbr-eo联用工艺，首先，在同一uasb反应器内实现反硝化和产甲烷两种作用，实现了生物脱氮和去除有机物的双重目的。uasb反应器出水通过中间水箱进行ph调节，使uasb反应器中的有机物在后续的sbr反应器通过好氧微生物的呼吸作用，将有机物氧化成h2o和co2，从而实现有机物的进一步去除。

对于渗滤液内高浓度氨氮，由于sbr出水的部分回流的稀释作用，uasb反应器的进水浓度较原液实现了一定程度的降低，然后借助于sbr反应器的短程硝化-厌氧氨氧化实现氮真正去除。利用sbr运行操作灵活的优点，先曝气通过溶解氧和游离氨的控制实现部分短程硝化产生亚硝酸盐氮的积累，继而停止曝气开启缺氧搅拌装置实现残余氨氮和亚硝酸盐氮的厌氧氨氧化，传统亚硝酸盐型厌氧氨氧化发生的同时，伴有硫酸盐型厌氧氨氧化的发生，这一过程中，氨氮和硫酸盐发生反应，从而实现氨氮和硫酸盐的同步去除。

最后，sbr出水经由中间水箱，最后进入到eo中，eo设有阳极、阴极，外接有直流电源，其中阳极由钛基底构成，表面涂有催化层sno2，通过控制不同的电流密度，在阳极表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，从而将难降解有机污染物降解。即利用电氧化工艺作为把关工艺处理难降解有机物实现早期垃圾渗滤液的深度除碳脱氮，降低处理成本的同时提高处理出水水质。

uasb-sbr-eo联合处理工艺最终实现对早期垃圾渗滤液的深度除碳脱氮脱硫。

本发明设计的短程反硝化-厌氧氨氧化-电氧化工艺处理早期垃圾渗滤液实现深度除碳脱氮脱硫的方法与现有技术相比，具有下列优点：

(1)本发明以早期垃圾渗滤液为处理对象，在保证出水水质的前提下，主要解决高氨氮垃圾渗滤液难于生物处理的技术问题；并解决高浓度废水深度脱氮、脱硫、深度去除有机物的问题；还致力于解决便于实验、应用的控制技术参数的问题。其中采用uasb反应器处理早期垃圾渗滤液中的有机物，具有能耗低，污泥产量少，负荷高等优点，因而可避免直接采用好氧生物法处理造成的能耗大，剩余污泥量大等弊端。

(2)此外，采用sbr工艺作为氮去除的主要工艺，充分利用了sbr法工艺简单，节省费用；理想的推流过程生化反应推动力大、效率高；运行方式灵活，脱氮除磷效果好；防止污泥膨胀和耐冲击负荷、处理效率高等优点。

(3)采用电氧化处理难降解有机物，大大降低处理成本。目前对于难降解有机物通常采用fenton、双膜法等技术，但都存在处理成本高的问题。垃圾渗滤液的处理成本如果太高会使得污水处理厂无法承受，因此采用电氧化法处理难降解有机物，通过很小的电能成本就可以处理难降解有机物，大大提高废水处理出水水质。

附图说明

图1系统cod浓度变化

图2系统氨氮浓度变化

图3系统硫酸盐浓度变化

图4是采用短程反硝化-半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化处理早期垃圾渗滤液实现深度除碳脱氮脱硫的装置示意图：

ⅰ-进水水箱，ⅱ-uasb，ⅲ-中间水箱，ⅳ-sbr，v-中间水箱，vi-电氧化装置eo；

ⅰ-进水水箱：1-格室，2-格室。

ⅱ-uasb：3-uasb(ⅱ)进水泵，4-uasb(ⅱ)进水管，5-uasb(ⅱ)底部进水口，6-uasb(ⅱ)回流液进水泵，7-uasb(ⅱ)回流液进水管，8-sbr(ⅳ)硝化液回流泵，9-sbr(ⅳ)硝化液回流管，10-三相分离器，11-排气管，12-碱液瓶，13-uasb(ⅱ)的气体流量计，14-uasb(ⅱ)出水管，15-内循环管，16-内循环泵，17-uasb(ⅱ)出水阀门。

ⅲ-中间水箱：18-ph和do监测设备，19-中间水箱(ⅲ)的出水口。

ⅳ-sbr：20-进水管，21-进水泵，22-进水口阀门，23-空压机，24-气体流量计，25-曝气管，26-曝气环，27-机械搅拌装置，28-第一排水口，29-第二排水口，30-第三排水口，31-第四排水口，32-放空口，33-ph和do监测设备。

v-中间水箱：34-进水泵，35-进水管，36-出水口1，37-出水口2。

vi-电氧化装置eo：38-进水管，39-进水泵，40-外接直流电源，41-直流电源正极，42-直流电源负极，43-阳极，44-阴极，45-出水管，46-出水控制阀。

具体实施方式

结合实例：实验用水取自北京某垃圾填埋场未经处理的早期垃圾渗滤液，其水质如下：codcr为10000-30000mg/l，nh4⁺-n为500-1000mg/l，nox^--n为0.1-5mg/l，so4^2-为10000-15000mg/l。

常规水质指标均采用国家标准方法测定。

如图1所示，本发明单独处理早期垃圾渗滤液的具体步骤如下：

(1)垃圾渗滤液原水从进水水箱(ⅰ)格室1经过出水管(4)、格室2的sbr硝化液经过出水管(7)和各自相应的进水泵(3、6)一起被打入到uasb(ⅱ)中，进水的体积为uasb(ⅱ)有效体积的10％-50％。

(2)uasb(ⅱ)进水结束后，启动uasb内循环泵(16)，通过uasb内循环水管(15)进行内循环，使得液体在uasb反应器内向上流动，与反应器内的微生物充分接触发生反应，uasb反应器内产生的n2、ch4和co2自下向上流动，在三相分离器(10)的作用下，实现了气体、液体和固体的分离，经带有排气阀的排气管(11)进入碱液吸收瓶(12)，在碱液吸收瓶(12)内，生物气中的co2被碱液吸收，而n2和ch4则通过气体流量计(13)计量后排放。

(3)上述uasb反应器的上清液溢流出水，并通过uasb出水管(14)靠重力作用流入到中间水箱(ⅲ)，在中间水箱中进行ph等影响因素的调节，打开中间水箱出水阀(19)，开启sbr进水泵(21)，中间水箱(ⅲ)内的水通过sbr进水管(20)被泵入sbr反应器。

(4)sbr进水结束后，开启曝气装置，空气通过空压机(23)和气体流量计(24)以及曝气管(25)和sbr中的曝气环(26)后进入到sbr中，通过气体流量计(24)将do控制到0.5-1mg/l。通过sbr的在线ph和溶解氧(do)监测设备(33)实时在线监测ph和do，从而判定反应状态；每间隔4h取样一次，对其中水质指标进行分析监测，当硝化反应中氨氮浓度降到100-150mg/l时且亚硝酸盐氮积累到100-200mg/l，停止曝气；开启机械搅拌装置(27)，搅拌器转速为50-80rmp/min，在缺氧条件下，通过两种主要厌氧氨氧化反应(亚硝酸盐型厌氧氨氧化和硫酸盐型厌氧氨氧化)将氨氮和亚硝酸盐氮以及硫酸盐深度去除；当实时控制的ph曲线一阶导数由正变负时停滞搅拌，然后沉淀30-50min，排水3-5min，排水比为10％-50％，至此，sbr的一个运行周期结束。

在每个周期沉淀结束后，开启sbr第二排水口(29)，启动中间水箱进水泵(34)，将上清液通过sbr出水管(35)泵入中间水箱(v)。

(5)中间水箱(v)按照3:1-4:1的回流比例，一部分通过出水口1(36)经由回流管(9)，开启回流泵被泵入进水水箱格室2，另一部分通过出水口2，经由eo进水管(38)被泵入电氧化装置eo中进行后续处理。

(6)电氧化装置(eo)进水结束后，进入到eo(vi)中进行难降解有机物和色度等的去除；采用恒流充电模式进行电解，接有直流电源(40)，其正极(41)和负极(42)分别通过导线与eo的阳极(43)和阴极(44)连接，阳极为ti基sno2涂层电极，涂层催化剂载量在1-5mg/cm²；通入直流电源并控制电流密度在8、10和12ma/cm²进行电解，两极电压在3.5-4.5v，在阳极表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，可以将难降解有机污染物降解，使色度降低；阴极采用镍基底，反应时会在阴极在产生氢气，eo侧面设有出水控制阀(45)和出水管(46)，系统出水通过eo出水管排出；eo最终出水的有机物、氨氮和硫酸盐浓度分别为87.511mg/l、18.545mg/l、3065mg/l，实现深度除碳脱氮脱硫。

连续实验结果表明：

早期垃圾渗滤液codcr为10000-30000mg/l，nh4⁺-n为500-1000mg/l，nox^--n为0.1-5mg/l，so4^2-为10000-15000mg/l。采用短程反硝化-厌氧氨氧化-电氧化(uasb-sbr-eo)的联合工艺处理早期垃圾渗滤液，最终出水的有机物、氨氮、硫酸盐浓度分别为87.511mg/l、18.545mg/l、3065mg/l，实现99.4％、97.6％和79.9％的有机物、氨氮和硫酸盐的去除率即实现经济高效降解。

在本发明工艺中，uasb反应器在有机物的去除方面发挥主要作用，而sbr反应器则是扮演着去除氮的主要角色，工艺中不仅有生物法，还联合了电氧化工艺进行难降解有机物的深度处理。在本发明装置中，充分利用了厌氧生物法处理高浓度有机物的优点，首先实现了早期渗滤液内有机物的高效去除，并后续联合电氧化装置进行深度除碳，去除色度等，工艺运行方式的选择灵活且高效。另外，发生在uasb内的彻底反硝化以及sbr反应器缺氧反应为后续sbr硝化阶段提供了充足的碱度，从而保证了sbr系统中两种主要厌氧氨氧化作用的顺利进行，这样sbr经中间水箱回流至uasb反应器内的硝化液大幅度稀释了原渗滤液的高浓度氨氮，从而大大减弱了高浓度氨氮所形成的游离氨(fa)对后续sbr系统内硝化菌的抑制作用，可见这两者是相互关联、相互制约的。中间水箱的设置，有效控制了ph等影响因素对后续sbr中发生的厌氧氨氧化反应的影响，使得sbr实现高效脱氮脱硫。本实验装置经济高效，没有二次污染，最终高效、经济的实现了早期垃圾渗滤液的深度除氮脱氮脱硫。

本专利的创造性：

1、创新性采用uasb-sbr-eo三种工艺联合处理早期垃圾渗滤液的方法，且采用电氧化工艺取代“膜法”、“fenton法”工艺，不仅解决了厌氧氨氧化工艺在早期垃圾渗滤液的处理中cod去除率低的问题，还大大降低了处理成本；

2、在厌氧氨氧化反应装置(sbr)中，创新性耦合亚硝酸盐型厌氧氨氧化和硫酸盐型厌氧氨氧化两种反应，不仅能有效去除氨氮和亚硝酸盐氮，而且能同步去除硫酸盐；

3、在电氧化反应装置(eo)中，阳极采用ti基sno2涂层电极，不活跃的电极更适合早期垃圾渗滤液的处理，恒流电解时，阳极表面催化层能够产生强氧化剂羟基和臭氧，有效提高难降解有机污染物去除效率，降低色度；

本专利的核心工艺是厌氧氨氧化工艺，其中亚硝酸盐型厌氧氨氧化和硫酸盐型厌氧氨氧化耦合处理早期垃圾渗滤液，实现同步脱氮除硫的关键在于，uasb出水进入sbr反应器后，控制do在0.5-1mg/l，监测反应到达氨氮浓度降到100-150mg/l时且亚硝酸盐氮浓度积累到100-200mg/l的节点时，立即停止曝气，开启搅拌装置，控制do在0.3-0.5mg/l,调节ph在7.5-8.5之间，温度在35℃左右，进而耦合亚硝酸盐型、硫酸盐型两种厌氧氨氧化处理早期垃圾渗滤液，实现同步脱氮除硫。